Реферат: Пирокластические отложения андезитовых вулканов и диагностика их генетических типов

По гранулометрическому составу заполнители отложений волн пепловых облаков имеют бимодальное распределение фракций - преобладание частиц размером 0,125 - 0,5 мм и менее 0,056 мм (см. рис.4) [12]. Содержание обломков в них достигает 20 - 25 %. Преобладающая крупнозернистая фракция заполнителей отложений совпадает с таковой пирокластических потоков.

Особой разновидностью пирокластических волн являются отложения, формирование которых происходит при извержениях вулканов типа направленных взрывов. Впервые отложения направленного взрыва были детально описаны на вулкане Безымянный после катастрофического извержения 30 марта 1956 г. Тогда же, в результате изучения характера и продуктов этого извержения, Г.С.Горшков ввел понятие "извержение типа направленного взрыва" [13]. Похожие отложения, связанные с направленным взрывом, были выделены на вулканах Мон-Пеле, Сент-Хеленс, Унзен и др.

Отложения песка направленного взрыва (названы Г.С.Горшковым и Г.Е.Богоявленской [14]). После выброса взрывных или обрушения обвальных масс, открывающих магматическую камеру вулкана, появляется высокотемпературная эмульсия твердого материала в смеси водяного пара и газа, которая через несколько секунд после извержения занимает объем в несколько тысяч раз больший, чем вначале (по А.Лакруа, [28]). Энергия таких "эмульсий" не затрачивается на подъем в эруптивной колонне и обрушение из нее, а целиком состоит из "первичной" кинетической. Мощные пирокластические волны ураганом, стремительно, сметая все на своем пути, распространяются на 25 - 30 км от центра извержения.

Отложения песка направленного взрыва не согласуются с топографией подстилающего рельефа - их мощность (до 2 м у кратера вулкана и до 1 - 2 см на расстоянии 30 км) примерно одинакова и в долинах и на водоразделах. Залегают они как на поверхности земли - на почвенно-пирокластическом чехле, так и в разрезах - под отложениями агломерата направленного взрыва и пирокластического потока [4]. Отложения песка направленного взрыва, как и образования волн пепловых облаков, слоисты.

По гранулометрическому составу такие отложения представляют собой вулканический песок с примесью обломков пород до 10 - 20 %. Преобладают обломки диаметром 1 - 2 см, но встречаются и размером до 10 - 20 см.

Отложения пепловых облаков пирокластических потоков или пеплы облаков потоков (ash cloud of pyroclastic flow или ash cloud of flow) или коигнимбритовых облаков (co-ignimbrite plumes) образуются в процессе движения пирокластического потока по склону вулкана и представляют собой пеплы, отделившиеся от заполнителя потока в результате конвективной гравитационной дифференциации пирокластической массы [12]. Пока поток (или его порции) движется, над ним клубится пеплово-паро-газовое облако, из которого впоследствии, спустя некоторое время после остановки пирокластического потока, происходит отложение "пеплов облаков потока".

Не выделяя эти отложения в отдельный тип, но подчеркивая различия их с образованиями "палящих туч", Г.С.Горшков писал: "Тучи, поднимающиеся над раскаленными лавинами, сколь они ни эффектны, имеют низкую температуру, не могут ничего опалить..." И далее: "Туча ..., поднимающаяся над раскаленной лавиной, генерируется в лавине, поднимается вертикально вверх, не распространяясь в стороны, и не имеет разрушительной силы"[15, С. 60].

В отличие от тефры, выбрасываемой из кратера вулкана на высоты 5 - 20 и более километров, пепловые облака потоков, как правило, поднимаются над поверхностью на высоты лишь первых километров. При формировании разных типов потоков их пепловые облака достигают разных высот. Так как пирокластические потоки ювенильных пористых андезитов содержат до 60 - 70 % заполнителя, большое количество ювенильного материала и газа, их пепловые облака поднимаются на большую высоту и их отложения имеют больший ареал распространения, по сравнению с пепловыми облаками пеплово-глыбовых пирокластических потоков (даже при одинаковых масштабах извержений, продуцирующих разные потоки). Замечено также, что в момент наивысшего поднятия облака над фронтом потока, максимальная ширина облака примерно равна его высоте от поверхности потока, а эта величина, в свою очередь, в 8 - 10 раз превышает ширину фронта пирокластического потока [12].

При небольшом ветре отложения пепловых облаков имеют в плане эллипсообразную форму. Пирокластический поток и его окрестности они перекрывают слоем примерно одинаковой мощности (см. рис.3), на удалении этот слой постепенно истончается. Границы распространения отложений находятся в 1,5 - 2 км от оси пирокластического потока (при ширине потока в несколько сотен метров) и несколько дальше от его фронта. При сильном ветре форма "эллипса" отложений может быть изменена. В зависимости от масштаба извержения, стратификации атмосферы в момент извержения вулкана, а также силы ветра, пепловые облака потоков могут перемешиваться с нижними слоями эруптивной тучи, а их материал может переноситься на далекие расстояния. В целом, распространение отложений пепловых облаков пирокластических потоков зависит от масштаба извержения, состава пород вулкана, типа пирокластического потока, стратификации атмосферы, силы и направления ветра.

Критерии определения генетических типов пирокластических отложений

Всесторонний анализ особенностей типов пирокластических образований позволил автору найти те их характеристики, с помощью которых диагностика генетических типов пирокластических отложений облегчается и становится более достоверной.

Важнейшими вопросами изучения пирокластических отложений являются: "Как же на практике, непосредственно в полевых условиях, различать типы пирокластических отложений? С помощью каких характеристик уточнять проведенную диагностику? Каковы главные критерии, по которым определение генетических типов пирокластических отложений андезитовых вулканов будет наиболее достоверным?"

В таблице 1 показаны основные характеристики генетических типов пирокластических образований андезитовых вулканов Камчатки.

Предположим, что мы остановились перед незнакомым разрезом пирокластических отложений в 5-7 км от центра извержения. На таких расстояниях от кратера вулкана проявляются почти все генетические типы пирокластики катастрофических и некатастрофических его извержений, а влияние экзогенных факторов невелико.

В разрезе сразу обращают на себя внимание крупные "слои" мощностью до 3-5 м, в которых хаотически распределены обломки разного размера. Снизу и сверху этого крупного "слоя" лежат слои песчаного и алевропелитового материала, количество обломков пород в которых незначительно.

Визуально выделенный "крупный слой", по всей вероятности, будет отложениями пирокластического потока. Качественные характеристики потоков (большие мощности, высокое содержание хаотически распределенных крупных обломков и глыб, размеры которых не превышают первых метров, плохая сортированность материала и т.д.) сходны лишь с агломератом направленного взрыва (см. табл.1). Но если отложения пирокластических потоков имеют светлые, в целом равномерные окраски обломков и заполнителя, то образования агломерата - пестрые. Обломки в агломерате представляют собой породы разрушенных взрывом куполов или постройки вулкана, долгие годы (периоды покоя между активизациями вулканов могут превышать тысячу лет) подвергавшиеся постмагматическому преобразованию. Размер обломков достигает 10 и более метров, а их содержание в отложениях - до 80 %.

Отложения пирокластических потоков всегда окаймляются образованиями пирокластических волн, отложениями пепловых облаков пирокластических потоков, но нередко также и отложениями тефры. При катастрофических извержениях вулканов с пирокластическими потоками часто соседствуют образования песка направленного взрыва.

Песчаные отложения с небольшим содержанием обломков размером до 10 см, лежащие ниже и выше пирокластического потока, будут, вероятно, соответствовать отложениям пирокластических волн или песка направленного взрыва.

Отложения приземной пирокластической волны отличаются от других вышеназванных типов отложений небольшой мощностью (часто раз в 10 меньшей, чем мощность вышележащего пирокластического потока), хорошей отсортированностью материала, неясновыраженной слоистостью. Мощности отложений волны пеплового облака и песка взрыва сопоставимы, для них характерна слоистость, сортированность материала в каждом из слоев (см. табл.1).

Характерным отличительным признаком отложений приземной волны, залегающих в основании потока, является их постепенный переход в отложения потока. В случае залегания под потоком материала волн пепловых облаков, которые были отдифференцированы от первых порций потока, имевших меньшую, чем 5-7 км протяженность, граница между этими отложениями будет четко зафиксирована тонким слоем пепла облаков потоков, отложившимся на кровле слоя волны пеплового облака. Напомним, что мы рассматриваем разрез пирокластических отложений в 5-7 км от кратера вулкана

Наиболее тонкозернистыми, однородными, хорошо отсортированными будут отложения пепловых облаков пирокластических потоков (ash cloud of flows). Они перекрывают поток и его окрестности слоем равной мощности, а на расстоянии 1-5 км от боковых частей потока постепенно выклиниваются. По направлению ветра их отложения могут распространяться на десятки километров.

Отложения тефры охватывают большую площадь, чем пеплов облаков потоков, так как эруптивные облака, из которых происходит сепарация частиц тефры, поднимаются выше, чем пепловые облака потоков, и распространение их целиком подвластно ветру.

Мощность отложений тефры у кратера вулкана небольшая (она как бы перебрасывается эксплозиями на некоторое от него удаление), что отмечено в работах [11,18 и др.], на некотором расстоянии от вулкана - максимальная, затем на протяжении сотен километров постепенно уменьшается и выклинивается. В каждой из точек изучения отложения тефры имеют различный гранулометрический состав [19,20], но везде стратифицированы, что обусловлено эоловой гравитационной дифференциацией. Отложения пепловых облаков пирокластических потоков одного извержения везде (в ближней и дальней зонах вулкана) однородны и одинаковы по гранулометрическому составу, так как процесс отложения пеплов - одноактный, завершающий кульминационную фазу извержения вулкана.

Итак, в полевых условиях благодаря стратиграфическим и структурно-текстурным особенностям отложений можно четко различать образования агломерата направленного взрыва и пирокластических потоков, но отложения пепловых облаков потоков можно перепутать с отложениями тефры, а отложения разновидностей пирокластических волн - между собой и с песком направленного взрыва.

Рис.5

Для достоверной диагностики генетических типов пирокластики необходимо воспользоваться лабораторными методами изучения отложений, и, в первую очередь, рассмотреть гранулометрический состав этих образований и их заполнителей. Известно, что гранулометрический состав является наиболее информативной количественной характеристикой пирокластики, а в некоторых случаях - единственной, с помощью которой можно различать генетические типы пирокластических отложений. Содержание обломков, а также их максимальный размер в породах каждого из генетических типов пирокластики своеобразно и поэтому позволяет, например, различать разновидности типов пирокластических потоков (пеплово-глыбовых и "ювенильных") и пирокластических волн (приземных и волн пепловых облаков) (см. табл.1). Каждый из генетических типов пирокластики обладает определенным распределением фракций, и, следовательно, определенной формой и местоположением на графике кумулятивных кривых гранулометрического состава, а также и гранулометрическими статистическими коэффициентами (медианой, средним размером частиц и т.д.), отличающими один тип от других. Своего рода эталонным в этом отношении может служить рис.5, на котором показаны обобщенные кумулятивные кривые гранулометрического состава заполнителей пирокластики вулкана Безымянный извержений 1984-1989 гг. и 1956 г.

Заполнители потоков наиболее крупнозернисты, поэтому их кривые занимают нижнее положение на графике (см. рис.5); на диаграммах, отражающих распределение разных фракций заполнителя, видно, что частицы крупных размеров преобладают (см. рис.4). Кумулятивные кривые гранулометрического состава заполнителей агломерата направленного взрыва резко отличаются от других типов пирокластики. У заполнителей каждого из типов отложений преобладают или одна, или две фракции, а у заполнителей агломерата превалируют сразу четыре фракции примерно одинакового содержания (см. табл.1). Заполнители отложений приземных пирокластических волн имеют одну, превосходящую другие, фракцию (такую же, как и заполнители потоков), но содержание этой фракции названных отложений достигает 40-45 %, а заполнителей потоков -меньше 25 % (см. рис.4). Для отложений волн пепловых облаков (ash cloud surge) характерны две превалирующие фракции: такая же, как и у потоков и наименьшая (частицы размером менее 0.056 мм), содержание которой может достигать 35 %. Преобладающая фракция отложений пепловых облаков потоков - наименьшая (до 55-60 %), доля каждой из других не превышает 15 %, обломков нет. У заполнителей песка направленного взрыва превосходящей является одна, но крупнозернистая фракция (до 35 %) (см. рис.4). Средние медианные диаметры и средний размер частиц заполнителей пирокластических потоков и агломерата направленного взрыва одинаковы, хотя у потоков большие вариации этих значений (см. табл.1). Коэффициенты сортировки заполнителей отложений показывают худшую отсортированность материала агломерата направленного взрыва. Гранулометрические характеристики заполнителей отложений пирокластических волн большие по величине, чем заполнителей потоков, и меньшие, чем показатели тефры дальнего разноса и отложений пепловых облаков потоков. Характеристики песков направленного взрыва - самые высокие среди пирокластики андезитовых вулканов (см. табл.1), что является хорошим отличительным признаком этих отложений от других. Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что гранулометрический состав заполнителей пирокластических отложений (распределение фракций, наклон и местоположение кумулятивных кривых состава на графике, величины гранулометрических характеристик) может являться достоверным критерием определения типов пирокластики.

Изучение микростроения образцов ненарушенного сложения пирокластических отложений показало, что образования тефры и волн пепловых облаков агрегированы, а приземных - нет [12]. Кроме этого, выяснилось, что агрегаты тефры более крупные по размерам, чем агрегаты волн пепловых облаков. Это еще одно доказательство факта, что отложения тефры и волн пепловых облаков действительно формируются из "пирокластических облаков". Тефра сепарируется из эруптивных туч, а отложения пирокластических волн пепловых облаков - из "волны пеплового облака" - промежуточного "слоя" между пирокластическим потоком и пепловыми облаками пирокластического потока, которые образуются в результате конвективной гравитационной дифференциации пирокластической массы при низвержении ее на склон вулкана в кульминационные фазы извержения. Таким образом, изучение микростроения образцов пирокластических отложений может существенно уточнять диагностику их генетических типов.

Уточняющим критерием определения генетических типов пирокластики может служить также вещественный состав (химический и минеральный) заполнителей отложений. Например, если содержание ювенильного вещества в заполнителе потоков может достигать 60-80 %, то в заполнителе агломерата взрыва оно очень мало - от первых до 10-15 % (см. табл.1). Наибольшим содержанием оксида кремния обладают породы тефры дальнего разноса, несколько меньшим - пеплы облаков потоков, состав других типов отложений (за исключением агломерата взрыва), в разной мере похож на состав обломков пород извержения вулкана [12]. Таким образом, с помощью изучения вещественного состава пород можно уточнять диагностику некоторых генетических типов пирокластических отложений вулканов.

Содержание "тяжелых" и "легких" минералов (по плотности твердой фазы) в заполнителях типов пирокластики различно. Это находит отражение в том, что плотности твердой фазы заполнителей типов отложений одного масштаба извержений вулкана хорошо различаются, хотя в среднем, за исключением пеплов облаков потоков, они похожи (см. табл.1).

Плотность естественного сложения недавно сформировавшейся пирокластики (в зависимости от масштаба извержения вулкана это время измеряется от нескольких дней до нескольких месяцев) различна для каждого из ее типов. Наименьшей плотностью сложения обладают отложения пепловых облаков пирокластических потоков (0,87-1,20 г/см³ ), наибольшей - образования песка направленного взрыва (1,50-1,77 г/см³ ) (см. табл.1).